高效刀具加工大直径孔(螺孔)应用探讨

在大型电站、矿山、重型和通用机械行业中，不少如机座、缸体、压力腔等零件需要进行大直径孔(螺孔)加工，有的孔大且深，精度也很高，这样就使加工周期大为延长。用传统的高速钢钻、扩孔刀具加工一个大直径孔，往往需要4～6小时，甚至更长时间，这种落后的加工方式和刀具很容易成为生产的瓶颈。

为适应快速发展的生产形势，研发、应用高效大直径刀具已显得极为迫切，为此国内外刀具厂商和相关研究机构加快了大直径孔加工刀具的创新、研发步伐，几年来已取得可喜的成果。

目前加工大直径孔(螺孔)的机床主要有两类：一类是大型数控镗、铣床，在这类机床上加工大直径孔，由于机床功率大、刚性好、精度高，一般可采用适于高速切削的高效硬质合金刀具(特别是硬质合金可转位孔加工刀具)；另一类是普通大型摇臂钻床，该类机床虽然在功率、刚度、加工精度等方面都无法与大型数控镗、铣床相比，但其最大优点是加工成本低廉。目前国内大部分重型机械制造厂仍将该类机床作为生产的主力，因而研制适应于大型摇臂钻床上使用的高效大直径孔加工(螺孔)刀具同样具有重要意义。

1 数控镗、铣床上应用的大直径孔加工刀具

1.1 钻孔刀具

硬质合金/高速钢大直径复合钻 该类刀具的典型结构可见图1，刀具切削刃由硬质合金可转位刀片和高速钢中心钻两部分组成。高速钢中心钻在钻头的中心，切削时速度低，刀刃锋利且有较小的横刃，故轴向切削力小，切削时能得以稳定钻削；钻头两侧的可转位刀片交叉排列，并可选用硬度和强度较好的刀片和点式硬质合金断屑槽型(一般刀片宜选用涂层刀片)，这样在钻削时可获得切屑面积较小的C形屑，以便于钻屑的顺利排出；钻杆和钻头通常都采用内冷却结构，这样在钻削时钻刃能得到充分冷却，同时切削液在高压泵的喷射下能将切屑顺利排出孔口；该刀具的刀杆和刀头之间还配置有十字保险环，主要是防止刀杆在超负荷切削时损坏。

图1 硬质合金/高速钢大直径复合钻

采用这种高效大直径复合钻，切削速度Vc可达80～120m/min，进给量f可达0.1～0.12mm/r，其切削效率与采用高速钢钻、扩刀具相比，可提高8～12倍。该类钻头的加工范围一般在Ø80～Ø170，在机床功率允许条件下，甚至可加工Ø300以上的大孔。目前这种钻头在国内哈尔滨汽轮机厂、上海龙记金属有限公司等单位已广为采用。

1.2 硬质合金可转位套料钻

套料钻的结构形式简图可见图2，该刀具设计、制造精度较高，有三组刀块，每组两个刀块对称分布在刀体上，第三组用偏心夹紧，第一、二组用滑块偏心夹紧，两相邻组刀块高度差0.25~0.30mm，同一组两个刀片高度相等，起良好的分屑作用。切削45#钢时，切削液是机油，油压P为0.5～0.7MPa。目前硬质合金可转位套料钻在上海申孔机械厂已稳定应用，并取得了明显的加工效果。

图2 大直径硬质合金可转位套料钻

1.3 内螺纹加工用刀具

高效加工大直径内螺纹，应用场合较多的刀具结构形式有两种。

旋风铣大直径内螺纹切削头 该铣削头是一个独立的工艺装备，属于机床附件。它适用于普通的具有螺纹进给系统的卧式镗、铣床及其他机床上进行铣螺纹加工，铣削头上可安装1～4个可转位螺纹刀片，刀具在高速自转铣削的同时还进行圆周进给和轴向进给(即螺旋进给)，附加式内螺纹旋风切削头的结构简图可见图3，该装置通常用于M30～M120的米制和1.5”～4.5”的英制螺纹孔的左、右螺纹的旋风铣削。

1.刀片 2.旋风刀座 3.旋风铣轴 4.带调节滑座的电动机 5.调节螺杆 6.机床主轴 7.机床外壳 8.锥柄 9.固定板 10.垂直连杆 11.水平连杆 12.专用块规
图3 附加式内螺纹旋风切削头

硬质合金螺纹梳刀 这是近年来新开发的一种内螺纹加工高效刀具，其刀头上的刀片可以是单片，也可以是多片。由于刀片上螺距是固定的，因此同种规格的刀片可适用于同螺距的各种不同直径的大螺纹孔加工。硬质合金螺纹梳刀片以选用涂层型式为佳，切削速度一般可选用100～120 m/min，应用该刀具进行大螺纹加工可获得高效率、高质量的加工效果。在加工螺纹深孔时，常因刀杆振动等原因出现振纹和孔的偏斜，此时可选用具有防振性能的刀杆予以解决。目前，该类刀具已在北京重型电机厂、第一重机厂和上海沪东车造船厂等单位应用。其刀具结构简图可见图4。

图4 硬质合金螺纹梳刀

2 在摇臂钻床上加工大直径孔的高效刀具

2.1 高速钢大直径扁钻

这是孔加工中最原始的一种刀具，由于其制造简单、使用方便，在以前的中小型非标孔的单件、小批零件加工中得到广泛应用，但切削效率低、刀具寿命短、孔加工质量差等弊病限制了这类刀具的发展。近年来，由于国内需要在大型摇臂钻床上加工大直径孔的零件愈来愈多，因而要求用于大型摇臂钻床的高效钻孔刀具发展创新的呼声也愈来愈高，扁钻能不能进一步改进成为高效孔加工刀具也提到了议事日程。经国内外有关单位的研究、改进、开发，现大直径扁钻已成功应用于国内外重型企业对零件大直径孔的加工。其创新的内容主要有以下几点：刀具结构采用刀片机夹型式，刀杆有内冷却孔，切削时在高压冷却液的作用下，刀刃可得到充分冷却；刀片材料选用高性能高速钢(如M42等)并进行表面涂层处理；减小刀具横刃和适当加大刀具前角，使轴向切削力降低；两侧刀片增加交叉分屑槽(配合前刀面的断屑槽型和合理走刀量)，使切屑成C形屑，便于排出并减小切削抗力。典型的大直径孔扁钻结构简图可见图5。

图5 机夹高速钢大直径扁钻

哈尔滨电机厂现在很多产品零件孔加工中都应用了这种大直径扁钻，实现了高效切削。

2.1 高速钢大直径复合钻

机夹高速钢大直径复合钻结构为内冷却式，与硬质合金/高速钢复合钻不同的地方是：将刀头两侧原采用的硬质合金可转位刀片改成两侧带有分屑槽的两片高性能高速钢刀片；对刀片进行了强化表面处理(涂层或多元共渗处理)；在刀具几何角度上根据被加工材料作了不同选择。目前该种类型的高速钢大直径复合钻已在哈尔滨汽轮机厂应用，其加工效率较原用高速钢钻、扩孔刀具提高了3倍以上，同时刀具寿命也有明显提高，并能大大缩短装卸、刃磨刀具的时间。其结构简图可见图6。

图6 高速钢大直径复合钻

2.3 大直径内螺纹刀具

大直径大螺旋角丝锥 加工大直径内螺纹孔的传统做法是用套装成组丝锥完成，但由于应用多支丝锥加工，且主轴的偏摆常易引起振动，容易使螺孔加工出现波纹、“双眼皮”、螺纹通端不通止端通等现象。而大直径螺旋槽丝锥是单支丝锥攻丝而成，攻丝时切屑可连续通畅排出，具有很小的阻力；另外这种丝锥还有较大的螺旋角(35°～40°)，能增加实际前角和容屑空间，降低切削扭矩，使切削更加平稳，有利于提高加工效率和保证质量，其刀具结构简图可见图7，通常大螺旋角丝锥的应用范围为M56～M140。

a) 普通盲孔用

 b) 深盲孔用
图7 大直径大螺旋角丝锥

内容屑丝锥 内容屑丝锥是一种先进、高效的加工丝锥，它既适用于数控镗铣床对大直径内螺纹孔的加工，同时也适用于大型摇臂钻床上加工螺纹内孔。

内容屑丝锥主要的特点有：普通丝锥的容屑槽是轴向沟槽，而内容屑丝锥的容屑槽是在丝锥的前部开有一个足够大容屑空间的贮屑孔；内容屑丝锥工作部分由三部分螺纹组成，在切削锥上的螺纹起粗切作用，圆柱上的间断螺纹起标准作用，圆柱上的完整螺纹起导向作用；内容屑丝锥的切削锥上开有带左向正刃倾角的切削刃，攻螺纹时将切屑推向前方，使丝锥退回时，不会因切屑而引起卡死现象，当加工盲孔时，切屑被贮存在容屑孔内，切屑与被加工螺纹表面彻底隔离，因而排屑理想，使螺纹加工表面质量得以提高。

图8 套式内容屑丝锥

刀具结构简图可见图8，套式内容屑丝锥的加工范围为M56～M250，切削速度Vc根据被加工材料不同常选用2～6m/min，一般加工精度可达6H。目前，该类高效内容屑丝锥已在国内汽轮机、发电机行业和重型机械制造行业推广使用。